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湿陷性黄土条件下的强夯法地基处理施工技术

2022-08-11王习渊白立辉曹铖党智荣党静茂

工程建设与设计 2022年14期
关键词:夯点陷性夯法

王习渊,白立辉,曹铖,党智荣,党静茂

(1.中国建筑第四工程局有限公司西北公司西安分公司,西安 710000;2.陕西中机岩土工程有限责任公司,西安 710000)

1 引言

陕西省西安地区自重湿陷性黄土分布广泛,湿陷性黄土层厚度通常在4~10 m,地基湿陷性等级一般为Ⅱ级~Ⅲ级,按GB 50025-2018《湿陷性黄土地区建筑标准》(以下简称《标准》)的要求,在湿陷性黄土地区进行建筑工程建设,应根据湿陷性黄土的特点、工程要求和工程所处水环境,因地制宜地采取以地基处理为主的综合措施,防止地基湿陷对建筑物产生危害。本文以秦风学校项目强夯法为例,介绍强夯法处理湿陷性施工技术。

2 工程概况

秦风学校项目,净规划用地面积5.5×104m2,总建筑面积7.35×104m2,地上建筑面积4.4×104m2,地下建筑面积2.95×104m2,容积率0.78,绿地率35%;建设内容包括中学部、小学部、室外操场、风雨操场、行政楼、餐厅及宿舍楼、图书馆、报告厅、锅炉房等14 个单体工程,地下室为整体车库,地下结构一层,局部设设备夹层。

项目基坑长190.7 m,宽160 m,场地南低北高,基坑深11.07~12.57 m;地下室结构面积2.7×104m2;基坑底面积3.1×104m2;支护形式为桩索支护,护坡桩桩径0.8 m,桩间距1.6 m,桩长17.07 m,冠梁高0.5 m,宽0.8 m。

3 施工重难点

1)该项目属社会影响较大的重要公共建筑,设计对差异沉降要求很高,对地基基础的强度及变形要求较高。

2)根据文物普探结果,拟建建筑场地内分布着百余个古墓,这些古墓抢救性开挖时,均采用放坡开挖,发掘完成后遗留80 余个数米深的墓坑或空洞,严重扰动了此项目地基。这些墓坑与空洞范围小、边角多,为保证工程质量,不能单个压实回填。

3)地基土湿陷性强。根据土工实验,按《标准》分别计算了拟建建筑的自重湿陷量Δzs和湿陷量Δs,并综合评定拟建场地为自重湿陷性黄土场地,场地地基湿陷等级为Ⅲ级(严重)。

4 施工方案优化设计

4.1 原地基处理方案

原地基处理方案为大面积开挖换填,需将整个场地下挖约13 m,重新分层压实回填。因此,需挖土方4.16×105m3,挖运土方量极大。其间因召开十四届全运会及受治污减霾、雨水及其他影响,工期几乎无法保证;且施工期间正值高温、炎热与降雨剧强的夏秋季,施工质量难以保证;同时由于外界政治任务的要求,环保压力极大。

4.2 原方案可行性分析

4.2.1 工期目标无法保证

工期目标无法保证主要有以下原因:(1)本工程占地190.7 m×160 m,因场地有大量古墓,挖除之后基坑深12.57 m,土方挖运4.16×105m3,按8~10 台挖机单机每日最大量1 000 m3计,至少需要60 d,并且不能有下雨、检查及停工。(2)压实回填(包括素土与1∶6 水泥土)1.86×105m3,每天最多4 000 m3,纯理论计算至少需要46.5 d,2 个月能完成就算超速,否则质量无法保证。(3)考虑支护施工时间及先支护后开挖的施工顺序,春节前连基础垫层都无法完成;因项目处在12 月份至次年1 月份,气温较低,存在表层冻土层,冻融之后,易沉降。所以,无论从保证换填施工质量还是管委会制定的工期目标来说,不调整、优化设计计划无法完成工期目标。

4.2.2 换填质量无法保证

1)上部地基土的含水量小(②层地基土含水量8.4%~26.8%,平均值为15.9%),距最佳含水量18%差距较大;又时值炎热的夏天,控制不好换填土的含水量,就不易控制换填质量;下雨后太湿,含水率过大,换填后易形成橡皮土。

2)场地受限。填土厚(6 m)、分层太多(按0.3 m 一层,需20 层);面积太大(190.7 m×160 m=30 512 m2)、分区太多(按50 m×50 m=2 500 m2,需分12 片),各种分层接茬、分区接茬很多(12 段×20 层=240 段接茬);雨季期间施工,质量无法保证。

3)工后沉降大。根据长期沉降观测,大厚度回填土的工后沉降无法避免,其总沉降量约为回填厚度的1/10。据此计算,工后总沉降量将约达60 mm,如此大的总沉降量,其差异沉降将会超过相关规范的规定,建筑物会因差异沉降而应力集中,产生拉裂破坏现象。

4.2.3 工期紧、回填厚,建筑易拉裂破坏

根据以往项目长期观测数据,回填土的工后沉降主要发生在填土完成后的20 d 内,占总沉降量的90%以上。由于学校项目时间节点十分明确,施工进程安排紧凑,交叉作业,出现工后沉降引起的破坏现象概率较大。

综合以上观点可以看出,换填法不是最优施工方案。

4.3 优化设计方案

本着“安全可靠、经济合理、施工易行”的原则,根据规范规程及已有成功经验,对于墓坑、较大厚度自重且湿陷性强的黄土场地,常用方法有:(1)换填法:范围较小、厚度不大;(2)夯实法:范围较大、厚度较大(10 m 之内);(3)挤密法:厚度太大(大于10 m);(4)穿透法:承载力要求很高;(5)注浆或旋喷法:浅部、荷载小、要求低(路基、肥槽),根据本场地的地质情况,采用夯实法——强夯法最好。

4.3.1 方案选型依据

强夯法方案选型主要依据DBJ 61-9—2008《强夯法处理湿陷性黄土地基技术规程》(以下简称《规程》)以及《标准》,见表1、表2。

表1 《规程》中不同强夯能级的夯实厚度

表2 《标准》中不同强夯能级的夯实厚度

由此选定强夯能量为4 000 kN·m,夯击6~8 遍。

4.3.2 强夯法施工间距选择

根据相关规范规程,夯点中心距一般取1.2~2.0d(d为夯锤直径),据此计算,夯间距应为2.88~4.8 m;根据成功经验及地基土的扩散角理论,夯间距取3.5 m,正三角形布置,满夯1 000 kN·m,纵向搭接1/2 夯痕、横向搭接1/3 夯痕。

4.4 优化方案可行性分析

4.4.1 质量对比:雨季施工阶段强夯质量效果好

换填地基:恰逢雨季施工阶段,分层分段施工,素土压实系数达到0.97 且保证不均匀,沉降比较困难。

强夯地基:规范施工,雨季质量控制比土方好。

4.4.2 工期对比:强夯节约工期

换填地基:开挖60 d,换填90 d。

强夯地基:单机单日可夯击60 个夯点,30 d 即可完成;开挖30 d,强夯30 d,换填30 d。

4.4.3 经济对比:强夯节省造价

换填地基:土方开挖及换填按照方量计算,少挖5 m 深。

强夯地基:无论是点夯还是满夯,按照平方米计算,考虑措施费,均比换填节省造价。

5 强夯法施工

5.1 施工区域划分

根据现场现状,将基坑分为4 个施工作业区域,整体施工顺序由西向东进行。安排两台机械同时由东往西施工,两台机械分别从C 区和B 区开始施工,待C 区和B 区施工完成后,分别再去D 区及A 区施工。

5.2 施工部署

整体施工分为2 个阶段,第一阶段为强夯试验,第二阶段为强夯施工。根据现场情况及总工期,将现场试夯分为6 个区域,即原状土与墓坑回填土区分别设计3 个试验区,每个试验区约15 m×15 m,试夯安排1 台机械进行施工。

5.2.1 强夯工艺参数

1)夯锤锤底直径2.4 m,夯锤重量20 t,落距为20 m。

2)主夯夯击能为4 000 kN·m。

3)采用点夯,正三角形布点,夯点间距为3.5 m;第一次夯击点距可取7 m,第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。

4)夯点的夯击次数,应根据设计要求以及现场试夯的夯击次数和夯沉量确定,最后两击平均夯沉量不大于50 mm,且夯击次数不小于9 遍[1]。

5)点夯完成后,应以低能量满夯1 遍(1 500 kN·m),满夯时纵向(基坑东西向)彼此搭接1/2 夯痕,横向(基坑南北向)彼此搭接1/3 夯痕,夯印平整。

5.2.2 强夯施工操作步骤

1)清理并平整施工场地。

2)标设强夯点位置,并测量起夯面高程。

3)起重机就位,使夯锤中心对准夯点位置。

4)测量夯前锤顶标高。

5)将夯锤起吊到预定高度,开启脱钩装置,待夯锤脱钩自由下落后,放下吊勾钩,测量夯锤顶高程,若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平[2]。

6)重复步骤5),完成一个夯点的夯击。

7)换夯点,重复步骤3)~6),完成第一遍全部夯点的夯击。

8)用推土机将夯坑推平,并测量场地高程。

9)第2 遍同上,按上述步骤依次完成全部夯击遍数。

10)第3 遍用低能量满夯,将场地表层松土夯实,并测量夯后场地高程。

5.3 施工工艺要点

1)每遍夯点位置放线,必须依据平面坐标控制点准确施放。

2)夯击时,落锤应保持平稳;若夯点错位或夯坑底面倾斜过大,需填土整平后,重新继续夯击。

3)在夯击过程中,夯锤排气孔不得被泥土堵塞。

4)每夯点在夯击过程中,应按实际测量记录夯点的每击夯沉量、累计夯沉量及最后两击平均夯沉量;每夯点的连续夯击数及最后两击平均夯沉量必须符合设计要求。

5)冬季施工必须在地基土未冻结的状态下进行;冰雪冻土必须清除。雨季施工应在雨前将夯坑推填整平;如条件允许可采用塑料膜或彩条布覆盖待夯区域,并设置良好的排水设施,不得积水,保证雨后短时间内能继续施工;浸水区地基土含水量过大时,应晾晒或换土后继续施工。

6 结语

本文以秦风学校项目地基处理为例,在施工过程中灵活采用强夯法地基处理方案,有效提高了施工效率,解决了湿陷性黄土条件下复杂地形地基处理中施工跨度长、基坑开挖深度大、土方外运方量大、换填质量无法保证等问题,实现了降本增效,缩短了施工工期,可为类似工程施工提供借鉴。

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